淀粉老化过程机理及淀粉抗老化剂应用的研究进展

张 雨,张康逸,张国治

(1.河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450001; 2.河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南郑州 450002)

淀粉是由绿色植物通过二氧化碳和水经光合作用合成的天然多糖,作为一种高分子碳水化合物,占植物干基总重的50%～80%。根据分子链构成,淀粉可分为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉是α-D-吡喃葡萄糖通过α-1,4糖苷键连接成的线性聚合物,支链淀粉是直链作为支链再经α-1,6糖苷键连接到另一直链上[1]。其中,谷物、稻米等主食中含有大量淀粉。在食品行业中,淀粉质食品在储藏过程中极易发生老化现象,在存储期间组织变得松散、粗糙,弹性和风味也随之消失。西方国家淀粉平均摄入量超过50%,发展中国家高达90%,世界每年因老化问题造成大量粮食浪费。馒头、面包、糕点等食品,由于淀粉含量高,随着储存时间的延长,就会由软变硬,组织松散,风味消失。因此,了解淀粉老化机理及抗老化剂对淀粉影响有助于控制淀粉质食品老化过程,合理使用抗老化剂对抑制淀粉老化及延长食品货架期具有重要意义。

1 淀粉老化机理

作为仅次于纤维素的第二大天然高分子化合物,淀粉以颗粒形式广泛存在于植物的果实、块茎和籽粒中,淀粉颗粒是多个淀粉分子的聚集体,呈白色固体状。植物种类不同,淀粉颗粒形状、大小、结构等也不相同。淀粉颗粒在水中加热,达到一定温度便可产生糊化现象,其物理性能此时会发生明显变化,如吸水溶胀、多晶性和双折射现象消失、结构被破坏等[2]。淀粉老化过程即出现在糊化之后。

1.1 淀粉老化机理

淀粉老化也称淀粉回生、凝沉,是糊化淀粉在冷却或储存时直链淀粉和支链淀粉重新形成有序结构的过程。淀粉老化与淀粉糊化过程不同,在淀粉糊化过程中,淀粉因外界能量的补充使淀粉颗粒溶胀、直链淀粉溢出而呈现高能无序状态;在降温过程中,由于分子热运动能量不足,体系处于热力学非平衡状态,分子链间借氢键相互吸引与排列,使体系自由焓降低,淀粉分子间及与水分子在空间构象上相互匹配重排,达到体系平衡的有序排列稳定态,此时直链淀粉及支链淀粉的直线部分趋向于平行排列,从无定形态回复到结晶体。其实质是糊化淀粉分子自动排列成序,形成高度致密的、结晶化的不溶性分子微束。此过程包括直链分子螺旋结构的形成及其堆积、支链淀粉外支链间双螺旋结构的形成与双螺旋之间的有序堆积[3]。淀粉老化后吸水能力下降,水分析出散失,淀粉链重新由无定形态变为晶体,柔韧性减弱,强度增加,此时食品变干变硬,食用品质大幅下降[4]。研究发现,老化的淀粉很难再次糊化。

新鲜烹制或加工的含淀粉食物在储存时会经历不同程度的老化,这可以降低淀粉对酶消化的敏感性。老化淀粉的消化率主要与储存的时间和温度条件有关。当含水量较高的淀粉在储存过程中,淀粉的消化率先迅速下降,这是因为直链淀粉分子的快速结晶;随后,由于支链淀粉老化的速度减慢,消化率的降低逐渐缓慢发生。但在低含水量下老化对淀粉消化率影响很小[5],且淀粉老化所放出的热量应与老化淀粉再糊化所吸收的热量相等。

1.2 淀粉老化分类及其模型

Miles等[6]把淀粉老化分为短期老化和长期老化。短期老化是指在淀粉糊化后的很短时间内发生的,主要是直链淀粉重结晶。长期老化是支链淀粉的枝杈结构重结晶产生老化现象。为更深入了解淀粉老化过程,国内外学者根据淀粉晶体性质的改变,用Avrami模型描述淀粉分子老化进程。Cornford等[7]已进一步表明结晶是造成老化的原因,证明了由面包屑弹性模量的变化所测量的老化过程可以用Avrami方程式充分表示。Avrami方程已广泛应用于高聚物的结晶。通过对结晶速率常数k和Avrami指数n的确定与分析,可以了解在结晶过程中直链及支链淀粉分子对晶体的成核方式、晶核密度和晶体生长方式的影响[8]。

淀粉重结晶的三个阶段可以利用差示扫描量热法、淀粉酶法、X-射线衍射法等均可获得淀粉重结晶动力学Avrami方程:

1-θ=exp(-ktn)

ln[-ln(1-θ)]=lnk+nlnt

式中,θ:t时刻淀粉结晶程度;n:Avrami指数,为ln[-ln(1-θ)]对lnt所作曲线斜率,取值与成核方式有关;k:淀粉重结晶常数,为曲线的截距,与晶核密度及晶体一维生长速率有关。

Avrami方程描述了聚合物结晶过程中晶体随时间变化的规律,表明结晶程度随时间呈指数形式增长。

当用Avrami方程描述淀粉老化时,θ表示没有老化或结晶的程度。在应用Avrami方程时,通常是先测在一定温度下淀粉的等温老化曲线,即θ与t的关系,然后经过回归分析,得到老化等温线的速度常数k和Avrami指数n,再由不同条件下k和n的变化趋势研究温度、含水量等因素对k和n值的影响。

Avrami指数n显示有关晶核特性及晶体成长过程的相关信息。n值取决于晶体成长过程的维数和成核时间。n=1时表示瞬间成核的晶体以枝状形式成长;n=2代表着偶然成核的枝状晶体成长或瞬间成核的碟状晶体成长;n=3表示偶然成核的碟状晶体的成长或瞬间成核的球状晶体成长;n=4则代表偶然成核的球状晶体成长。k则反映成核与晶体成长速度的复合作用,提供有关结晶进程的信息[9]。Slade认为淀粉分子在结晶过程中呈非平衡态,使用Avrami方程会导致一定偏差,但仍推荐使用Avrami方程以利于结果相互比较。

2 淀粉老化机理研究方法

淀粉老化是一个复杂过程,影响因素较多,利用单一测定方法很难反映淀粉老化准确趋势。目前淀粉老化的测定方法可以分为两类:宏观技术测定和分子技术测定。宏观技术是监测淀粉老化过程中某些物理特性变化的方法;分子技术即在分子水平上研究淀粉凝胶中淀粉聚合物构象或水分迁移率变化。目前研究淀粉老化机理的方法主要包括热力学分析方法、流变学分析方法、X射线衍射法(Diffraction of X-rays,XRD)、核磁共振波谱法(Nuclear magnetic resonance,NMR)等[10]。每种方法都具有其自身优势和局限性,结合不同的物理和化学方法分析研究淀粉老化过程更加全面。

2.1 热力学分析方法

当前研究人员常利用三种热力学仪器检测淀粉老化,分别为差示扫描量热仪(Differential scanning calorimetry,DSC)、差示量热分析仪(differential thermal analysis,DTA)及热重分析仪(thermogravimetric analysis,TG)[11]。差示扫描量热技术是一种最为普遍的热分析技术,主要用来测量程序控制温度下物质的物理性质与温度的关系,如测定淀粉老化过程中直链淀粉的重结晶。1971年,研究人员首次利用DSC测量淀粉的糊化和老化,量化天然淀粉和老化淀粉的结晶度,明确老化动力学。淀粉完全糊化后在DSC中不出现吸热峰,当淀粉开始老化时,内部的直链和支链淀粉发生重排,形成重结晶,此时淀粉晶体结构遭到破坏,须外加能量。因此老化后的淀粉在DSC中会出现吸热峰,且淀粉老化程度越大,吸热峰越大[12]。郑铁松等[13]使用DSC研究了六种莲子淀粉在4 ℃下贮藏14 d老化趋势,表明淀粉在第1 d内快速老化,随着时间延长,老化程度减慢并趋于平稳。Colwell等[14]利用DSC测定小麦淀粉凝胶在-1、10、21 ℃的储存温度下的吸热峰高度,证实其与淀粉老化之间存在密切关系。朱帆等[15]用DSC研究八种不同小麦的老化特性,表明小麦直链淀粉的含量与最大回生度呈一定的正相关。DSC方法相对简单,可以根据不同晶体融化温度区分直链淀粉的结晶、支链淀粉的结晶、直链淀粉与脂质复合物的结晶数,但不适用于测定稀淀粉糊老化过程,焓变过程不具体,需要结合其他方法对淀粉老化作进一步研究。

DTA与DSC相似,是一种热分析技术,主要研究淀粉样品和惰性参比物(Al2O3)在相同的热循环下的温度差,通过制作DTA曲线分析淀粉的老化。Mciver等[16]首次利用DTA来研究淀粉老化。Tian等[17]利用DTA研究大米淀粉的老化,尽管由DTA测定的淀粉老化度略高于DSC,但两种分析方法之间未呈现显著差异。

TG可以得到样品质量随温度的变化趋势,通过测定样品中结合水的含量进而测定淀粉老化程度。Tian等[18]利用TG方法测得的淀粉老化程度高于DSC测量结果。这是由于DTA与TG确定的是直链淀粉和支链淀粉的总体老化程度,而DSC只能检测到支链淀粉的老化。由于成本偏高,使用DTA与TG来对淀粉老化进行分析的应用相对较少,但可以测定总淀粉的老化程度,因此对淀粉老化研究很大的帮助。

2.2 流变学分析方法

流变学方法主要测定淀粉在老化过程中粘度的变化,可分为大形变测试和小形变测试。

2.2.1 大形变测试 淀粉凝胶的硬度随着老化而显著增加,质构发生明显变化,这些变化通常使用大变形测试,常用方法有单轴压缩实验、质构分析(Texture profile analysis,TPA)和淀粉糊化粘度曲线测定等。

单轴压缩实验通常需要相对坚固的凝胶样品来得到理想化的应力-应变曲线。曲线初始部分为线性曲线,其斜率为杨氏模量E。Axford等[19]表明消费者的接受程度与可压缩性实验之间有很强的负相关性。质构分析通过两次压缩可以准确检测样品随时间变化的位置和重量,从而得到TPA曲线进而测得样品的物性特征。淀粉老化使食品体系硬度变大、弹性降低,通过TPA物性特征指标,能够很好地检测淀粉的老化。淀粉糊化粘度曲线测定最常用的仪器有布拉班德粘度仪(Brabender viscograph)和快速粘度仪(Rapid viscosity analysis,RVA)。快速粘度仪的优点有所需样品量少、测定时问短,与布拉班德粘度仪相比有更快的加热速度和更强的混合作用。但是,当加热速率维持在1.5 ℃/min时,两者的测试结果相似[20]。虽然大形变测试能够研究淀粉老化,但在检测时会对被测样品的结构造成破坏。

2.2.2 小形变测试 小形变测试与大形变测试相比有一定的优势,例如不会破坏被测样品结构,并能够通过微小的变化更有效地研究淀粉老化等。主要测定方法有动态振荡流变法、蠕变试验和应力松弛试验等,其中后两种测试也被称为静态试验。

动态振荡流变法可以有效地监测淀粉凝胶老化期间结构变化。它可以持续评估样品的动态模量,通常使用动态流变仪测定G′(储能模量),G″(损耗模量)与tanδ(损耗角正切值)可表征淀粉在糊化与老化过程中粘弹体系的非破坏性力学特征。G′代表样品存储弹性变形能量的能力,它的升高代表着淀粉老化程度加大;G″通过描述样品产生形变时能量散失(转变)为热的能力反映样品粘性大小;而tanδ=G″/G′,表征了体系中刚性有序区的相对比例,随着淀粉体系老化程度增加,G′逐渐增大。Lii等[21]研究了直链淀粉含量对大米淀粉流变性的影响,认为淀粉颗粒的特性和直链淀粉含量是影响淀粉流变性的主要因素。周坚[22]通过不同原料稻米动态流变仪图谱得出糊化度高的粳米G′较低,即老化度低,与DSC测试结果一致。Biliaderis等[23]发现淀粉凝胶的G′上升速度通常比通过DSC测定的淀粉凝胶老化(ΔH)速度快得多。

蠕变试验用于研究较长时间下样品的粘弹性结构。蠕变参数主要有衰变弹性模量E、松弛时间τ和粘度系数η,它们可以反映样品的力学流变特性。在淀粉老化过程中,一般用蠕变柔量的绝对值及其降低的速率间接表征老化度与老化速率。当淀粉老化程度逐渐增加,淀粉凝胶体系内结晶区的比例加大,较大尺寸的分子链运动受到抑制,总柔量降低[24]。Amano等[25]研究了小麦淀粉、玉米淀粉和非糯大米淀粉在老化过程中的蠕变行为。与动态试验相比,蠕变实验在淀粉凝胶老化方面的研究较少。

应力松弛是指样品形变后,在应变量不变的情况下,样品内部应力随时间延长而下降的过程,可反映样品内部结构构成和粘弹性状态,且应力松弛试验比蠕变试验更容易执行[26]。一般用广义Maxwell模型来描述淀粉凝胶的应力松弛曲线。钱平[27]通过对馒头应力松弛测试,得出在储存过程中,随着馒头的老化程度增加,应力松弛C值升高,且前期增值较大,随后上升缓慢。

2.3 X-射线衍射

通常在X-射线衍射图谱上对晶体峰和非晶峰进行面积积分,以晶体峰面积与衍射峰总面积之比反映淀粉老化程度。该方法不仅可以测定淀粉样品中晶体的含量,而且还可以根据衍射图谱区分晶体的晶型。天然淀粉有A、B、C三种不同类型的结晶,其XRD图谱也各不相同。在淀粉糊化过程中,淀粉颗粒的晶体结构被破坏,完全糊化的样品中XRD图谱没有衍射峰[28]。当淀粉老化时,淀粉分子发生重排,结晶度改变。大多数情况下,无论原淀粉是A型或B型,老化淀粉均呈现典型的B型XRD图谱[29]。李雨露[30]用XRD研究了水分含量、脂质与添加剂对莲子淀粉晶体的影响。Fu等[31]使用X-射线衍射和DSC两种方法研究玉米淀粉糊化对老化的影响,得到X-射线衍射的响应值要比DSC落后。

X-射线衍射研究淀粉老化,补充了其他技术数据的不足,而且清楚地表明在非蜡质淀粉凝胶的老化中,结晶的发展是以两相方式进行的[32]。然而,XRD不能检测颗粒之间或颗粒之内的变化。与NMR和FTIR等技术相比,X-射线衍射的灵敏度相对较低。此外,X-射线衍射法灵敏度偏低,在使用前是否对样品进行水合等前处理,对老化度的测定结果影响较大[33]。

2.4 核磁共振

核磁共振(NMR)作为一项无损检测技术已成为食品科学中的核心分析方法。在淀粉老化研究中最常用的核磁共振技术是低分辨率1H NMR,它能够分析淀粉聚合物链的流动性,并从核磁共振衰变信号分析中阐明物质结构。核磁共振成像揭示了样品在老化过程中水分和水分迁移的空间重新分布,通过研究水的变化来研究食品中淀粉老化。随着淀粉体系的老化,淀粉分子逐步排列有序,处于结晶态的质子被其他分子链约束,只能在小尺寸范围内振动和迁移,因此体系中固形物含量逐渐增加,通过测定体系固形物含量的改变也可以测定淀粉老化。Teo等[34]认为随着老化进行,淀粉凝胶固相中质子信号增加,而液体组分信号减少。Ambigaipalan等[35]研究发现在糊化过程中,δ82处C-4共振强度明显增加,反映了晶体结构减少和非晶区域比例增加,该峰的强度随着淀粉凝胶的老化而下降,这表明由于淀粉链的相互作用而产生了刚性结构。同时,双螺旋含量随着淀粉凝胶的老化而增加。弛豫速率(ΔR)可以表示分子流动性质,它与分子流动性能成正比。Lin等[36]利用NMR研究了九种大米淀粉制品在储存过程中淀粉老化情况,发现随着储存时间延长,ΔR增加,这说明淀粉老化程度随着时间延长而增加。丁文平等[37]利用脉冲核磁共振仪(Pulse MNR,PMNR)测定大米淀粉老化,并与DSC测量结果一致。但当储存时间过长,可能会导致样品失水而使测定结果出现偏差。核磁共振检测时间短,精度高,具有非破坏无侵入的特征。但由于不同温度下质子信号不同,是否能测定降温过程中的短期老化还有待验证。

3 淀粉抗老化剂应用

为了抑制淀粉老化以防止淀粉质食品的大量浪费,将老化带来的不利影响降至最低,研究人员通常通过添加一些酶制剂、乳化剂、亲水胶体等抗老化剂或改变传统加工方法来减缓淀粉老化,延长淀粉质食品货架期。

3.1 酶制剂

淀粉酶和蛋白酶等广泛地应用在淀粉质食品中,淀粉酶分为α-淀粉酶、β-淀粉酶、真菌淀粉酶等。其中抗老化效果最好的是α-淀粉酶。由于烘烤过程中产生低分子量糊精,α-淀粉酶通过干扰支链淀粉老化过程从而抑制淀粉长期老化[38]。但过量的α-淀粉酶会使淀粉质食品发粘,影响口感,结构塌架。Palacios等[39]将α-淀粉酶应用于米饭中,由于支链淀粉侧链短链增多,从而抑制米饭老化。陈秋平等[40]在馒头中添加适量的细菌α-淀粉酶,不仅能改善馒头感官品质,还可以抑制馒头在储存过程中的老化现象。Dang等[41]从苎麻叶中提取的β-淀粉酶对淀粉质食品也有抗老化后的作用。G4酶是一种新型淀粉酶,可将淀粉支链切短,产生四糖,从而降低支链淀粉侧链长度。姬娜等[42]用G4淀粉酶处理小麦淀粉,发现有明显的抗老化效果。此外,还可以使用酶来分解麸皮或麸质蛋白质等,将分解产物加入淀粉质食品中,同样能起到很好的抗老化作用。

3.2 乳化剂

在食品中添加乳化剂不仅可以延缓淀粉老化,还可起到保鲜作用。糊化后的直链淀粉分子呈双螺旋结构,此时其内部是疏水的,乳化剂的疏水基团进入其内部,形成不溶性的包合络合物,可以通过抑制直链淀粉重结晶间接抑制支链淀粉重结晶进而起到抗老化效果。乳化剂还可以通过直接影响食品中水分的分布来延缓老化。Prakaywatchara等[43]在无麸质添加四种乳化剂,均能抑制淀粉老化,并且在具有1%甘油单酯和甘油的样品中发现最低的老化焓。Fadda等[44]认为乳化剂降低了面团吸水溶胀能力,使更多水分转移至蛋白质而使面团变得蓬松柔软,间接阻碍淀粉老化。Yu等[45]在小麦淀粉中添加硬脂酸和海藻酸钠,提高了糊化初始温度并有效抑制了淀粉的老化。李立华等[46]研究硬脂酰乳酸钠和β-环糊精两种乳化剂对鲜湿面抗老化作用,得出了直链淀粉-乳化剂-脂质复合物抑制了鲜湿面老化新结论。

3.3 亲水胶体

亲水胶体多为一种能溶于水的天然多糖大分子及其衍生物[47],一定条件下充分水合可以形成黏稠的溶液或凝胶,该特性使其在食品中具有质构改良及控水等特殊作用[48]。常见的食品亲水胶体有瓜尔胶、黄原胶、卡拉胶等。一般来说,亲水胶体主要通过影响直链淀粉-直链淀粉和支链淀粉-支链淀粉之间的相互作用促进短期老化并延缓了长期老化,且水解胶体对淀粉老化的抑制在很大程度上取决于亲水胶体浓度的大小。何承云等[49]研究了黄原胶、海藻酸钠和卡拉胶对馒头的抗老化作用,通过正交实验获得最佳复配比。Ai等[50]在米糕中添加酶、乳化剂和亲水胶体三类添加剂,比较发现海藻酸钠是唯一一种在储存期间显著降低米糕硬化率的添加剂。刘海燕等[51]认为适量添加胶体可以显著提高面包的比容,改善面包的质构特性,有效地抑制面包老化。但关于亲水胶体对淀粉老化的影响尚未得出一般性结论。

3.4 其他抗淀粉老化方法

除了使用传统的添加剂实现抗老化效果,还有一些物理、生物等方法也可以实现。Zhang等[52]研究了茶多酚、茶水溶性提取物、茶多糖和绿茶粉四种茶叶衍生物对小麦淀粉老化的影响,结果表明四种物质对小麦淀粉的短期老化和长期老化均有抑制作用。张春媛[53]研究了茶多糖对小麦淀粉的老化作用,得到相同结果。Niu等[54]研究了米糠蛋白水解物对大米淀粉的抑制作用。许晨等[55]在玉米淀粉中添加5%原花青素很好的抑制了淀粉老化。Niu等[56]研究得到猪血浆蛋白水解物对玉米淀粉短期老化有潜在抑制作用。田耀旗[10]利用超高压技术抑制大米淀粉的老化。夏文等[57]利用超微粉碎技术破坏木薯淀粉颗粒表面结构,对其短期老化有一定的延缓作用。另外还有一些复合添加剂的应用,可以有效发挥各种食品添加剂的互补作用,与添加某种单一的添加剂相比,其有更好的风味与口感,更容易被消费者所接受,淀粉抗老化的效果也更好。因此,抗老化剂的使用与新型抗老化剂的研究对抑制淀粉老化有着重要意义。

4 展望

淀粉老化导致淀粉质食品口感变差、品质下降,造成大量食品浪费。淀粉老化过程相当复杂,影响因素较多,本文虽从淀粉老化方向出发,探讨淀粉老化过程机理方法,但淀粉老化还会受到食品体系中水分、蛋白质等物质影响,因此淀粉与其他成分相互作用等问题尚有待进一步研究。一些新兴谷物淀粉例如青麦仁淀粉等还有待研究。本文还综述了酶制剂、乳化剂、亲水性胶体等抗老化剂在食品体系中的应用,但抗老化机制机理尚处在研究阶段,如淀粉酶对淀粉短期老化的影响机理、支链分子-脂质复合物对老化特性的影响等。利用有效的新型复合抗老化剂或加工方法来长时间抑制淀粉老化具有较高的研究价值。